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1、7.1 概述概述7.2 地下水的化学组分（地下水的化学组分（Chemical composition of G.W.） 7.3 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用 （Chemical actions of G.W.） 7.4 地下水基本成因类型及其化学特征地下水基本成因类型及其化学特征 (自学）自学） 7.5 地下水化学成分分析及其图示地下水化学成分分析及其图示(自学）自学） 第第7章章 地下水的化学组分及其演变地下水的化学组分及其演变（Chemical composition and chemical actions of G.W.）地下水的化学成分是地下水的化学成分是地下水与
2、周围环境长期相互作用的产物，地下水与周围环境长期相互作用的产物，它是一种重要信息源它是一种重要信息源，是，是“化石化石”，研究地下水的化学成分，研究地下水的化学成分可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，可以帮助我们回溯一个地区的水文地质历史，阐明地下水的阐明地下水的起源和形成起源和形成。地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿过地下水是地壳中元素迁移、分散与富集的载体，研究成矿过程中地下水的化学作用，程中地下水的化学作用，对于阐明成矿机制，完善与丰富成对于阐明成矿机制，完善与丰富成矿理论有很大意义矿理论有很大意义。不能从纯化学角度，孤立、静止地研究地下水的化学成分及不能从纯化学角度
3、，孤立、静止地研究地下水的化学成分及其形成，其形成，必须从地下水与环境长期相互作用的角度出发必须从地下水与环境长期相互作用的角度出发，去，去揭示地下水化学演变的内在依据和规律。揭示地下水化学演变的内在依据和规律。从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要求不同，因此从实际应用来看，不同的用水目的，对水质要求不同，因此研究地下水的化学成分也是研究地下水的化学成分也是水质评价的需要水质评价的需要。7.1 概述概述7.2 地下水的化学组分地下水的化学组分（Chemical composition of G.W.）气体组分气体组分 （CO2, O2等）等）离子组分离子组分（Cl-, SO42-,K+等）
4、等）同位素组分同位素组分（氢、氧、碳同位素）（氢、氧、碳同位素）微量组分微量组分（Br、I、F、B、Sr等）等） 胶体悬浮物胶体悬浮物（Fe（OH）3、 Al（OH）3 、H2SiO3等等 ）有机质有机质（常使地下水酸度增加，有利于还原作用）（常使地下水酸度增加，有利于还原作用） 微生物微生物（氧化环境的硫细菌和铁细菌、还原环境的脱硫（氧化环境的硫细菌和铁细菌、还原环境的脱硫酸细菌以及污染水中的致病细菌等）酸细菌以及污染水中的致病细菌等） O2、N2来源：大气来源：大气 O2含量愈高，表明地下水所处的地球化学环境愈有利于含量愈高，表明地下水所处的地球化学环境愈有利于氧化作用氧化作用 ；N2的单
5、独存在的单独存在表明地下水起源于大气并处于表明地下水起源于大气并处于还原环境。还原环境。 H2S、CH4与有机物、微生物的生物化学过程有关；与有机物、微生物的生物化学过程有关；表明地下水所处的地球化学环境为表明地下水所处的地球化学环境为还原环境还原环境;成煤过程成煤过程（煤田水）（煤田水），成油气过程，成油气过程（油气藏，油田水）。（油气藏，油田水）。CO2来源来源地下水中主要气体组分地下水中主要气体组分研究意义研究意义 指示地下水所处的地球化学环境；指示地下水所处的地球化学环境；影响地下水的溶解能力；影响地下水的溶解能力； O2、CO2，地下水对岩石矿物的溶解能力，地下水对岩石矿物的溶解能力
6、。决定地下水的利用价值。决定地下水的利用价值。l土壤层：土壤层：溶解、有机质残骸发酵、植物呼吸作用；溶解、有机质残骸发酵、植物呼吸作用；l碳酸盐岩分解碳酸盐岩分解l人类活动：人类活动：化石燃料（煤、石油、天然气）燃烧化石燃料（煤、石油、天然气）燃烧含量愈高，含量愈高，水对碳酸盐岩溶解、结晶岩风化溶解能力愈强水对碳酸盐岩溶解、结晶岩风化溶解能力愈强。 主要阴离子（主要阴离子（anions）：）： 主要阳离子（主要阳离子（cations）：）：地下水中主要离子组分（地下水中主要离子组分（Common ions）地下水中离子成分主要取决于：地下水中离子成分主要取决于：元素的元素的丰度丰度；元素组成的
7、化合物在水中的元素组成的化合物在水中的溶解度溶解度。矿化度（矿化度（g/l）低（低（1)中中(1-10)高高(10-30)主要离子成分主要离子成分HCO3-Ca2+ 、 Mg2+SO42-Ca2+ 、 Na+Cl-Na+ 、 Ca2+ 地下水中次要离子成分：地下水中次要离子成分：碳酸盐类碳酸盐类 硫酸盐类硫酸盐类 氯化物氯化物常见离子在水中的相对含量与矿化度有关常见离子在水中的相对含量与矿化度有关地下水中主要离子成分地下水中主要离子成分Cl- （高矿化水中主要阴离子）（高矿化水中主要阴离子）：l沉积盐类溶解；沉积盐类溶解；l岩浆岩含氯矿物（如氯磷灰石、方钠石）的风化溶解；岩浆岩含氯矿物（如氯磷
8、灰石、方钠石）的风化溶解；l海水；海水；l火山喷发物的溶滤；火山喷发物的溶滤；l人为污染。人为污染。l地地下下水水中中最最稳稳定定的的离离子子，其其含含量量随随矿矿化化度度升升高高而而增增加加，常常可可用用来来说明地下水的矿化程度。说明地下水的矿化程度。SO42- （中等矿化水中主要阴离子）（中等矿化水中主要阴离子） ：l硫酸盐沉积岩的溶解；硫酸盐沉积岩的溶解；l金属硫化物（如黄铁矿、煤系地层）的氧化；金属硫化物（如黄铁矿、煤系地层）的氧化；l人类活动人类活动化石燃料燃烧产生化石燃料燃烧产生SO2，降降“酸雨酸雨”。HCO3- （低矿化水中主要阴离子）（低矿化水中主要阴离子） ：l含碳酸盐的沉
9、积岩与变质岩的溶解含碳酸盐的沉积岩与变质岩的溶解;l岩浆岩、变质岩铝硅酸盐矿物岩浆岩、变质岩铝硅酸盐矿物(钠长石、钙长石）的风化溶解。钠长石、钙长石）的风化溶解。地下水中主要离子成分来源地下水中主要离子成分来源Na+ 、K+ （高矿化水中主要阳离子）（高矿化水中主要阳离子） ：l沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解；沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解；l岩浆岩、变质岩含钾、钠矿物的风化溶解；岩浆岩、变质岩含钾、钠矿物的风化溶解；l海水；海水；l在在地地下下水水中中K+ 含含量量比比Na+少少得得多多，因因为为K+ 大大量量参参与与形形成成不不溶溶于于水水的的次次生生矿矿物物（如如绢绢云云母母、蒙蒙脱脱石石等
10、等），并并易被植物吸收；易被植物吸收；lK+ 的的性性质质与与Na+相相近近，含含量量少少，分分析析困困难难，故故在在一一般般情况下，将情况下，将K+归并到归并到Na+中，不另区分。中，不另区分。Ca2+、 Mg2+ （低矿化水中主要阳离子）（低矿化水中主要阳离子） ：l碳酸盐类沉积物或含石膏沉积物的溶解；碳酸盐类沉积物或含石膏沉积物的溶解；l岩浆岩、变质岩含钙、镁矿物的风化溶解；岩浆岩、变质岩含钙、镁矿物的风化溶解；地下水中主要离子成分来源地下水中主要离子成分来源地下水的总矿化度及化学成分表示式地下水的总矿化度及化学成分表示式 定定义义：地地下下水水中中所所含含各各种种离离子子、分分子子与与
11、化化合合物物的的总总量量称称为为总矿化度（总溶解固体），单位总矿化度（总溶解固体），单位g/L。通通常常以以在在105110温温度度下下，将将水水蒸蒸干干所所得得的的干干涸涸残残余余物物来表征总矿化度。来表征总矿化度。计算方法计算方法：M=阳离子阳离子+阴离子阴离子- 0.5HCO3- 地下水按矿化度分类地下水按矿化度分类矿化度矿化度（g/l）50分类名称分类名称淡水淡水微咸水微咸水咸水咸水盐水盐水卤水卤水地下水的总矿化度地下水的总矿化度M（Total Dissolve Solid，TDS） 地下水化学成分表示式地下水化学成分表示式库尔洛夫式库尔洛夫式 横线前：横线前：表示特殊成分、气体成分及
12、矿化度（以表示特殊成分、气体成分及矿化度（以M表表示），单位都是示），单位都是g/L；横线上下方：横线上下方：将阴将阴/阳离子阳离子毫克当量百分数毫克当量百分数10%的离的离子按子按自大到小自大到小顺序分别标示；顺序分别标示；横线后：横线后： 水温水温t（oC) 。 离子的毫克当量离子的毫克当量=离子的毫摩尔离子的毫摩尔*离子价离子价离子的毫摩尔离子的毫摩尔=离子的毫克数离子的毫克数/离子量（原子量）离子量（原子量）毫克当量百分数毫克当量百分数=某离子的毫克当量某离子的毫克当量/阴（阳）离子的毫克当量总数阴（阳）离子的毫克当量总数化学成分化学成分HCO3-SO42-Cl-Ca2+Mg2+Na+
13、K+游离游离CO2mg/l177.062.45.334.3 5.552316毫克当量毫克当量毫克当量毫克当量百分数百分数已知某地地下水的化学成分如下表所示，水温为已知某地地下水的化学成分如下表所示，水温为21，完成，完成下表，计算总矿化度，并写出该水样的库尔洛夫式。下表，计算总矿化度，并写出该水样的库尔洛夫式。原子量：原子量：C=12，S=32，Cl=35.5，Na+K=25，Ca=40，Mg=24，O=16。作业作业溶滤作用（溶滤作用（Dissolving process）浓缩作用（浓缩作用（Concentrating process）脱碳酸作用（脱碳酸作用（Decarburization
14、process） 脱硫酸作用（脱硫酸作用（De-vitrioling process）阳离子交替吸附作用（阳离子交替吸附作用（Cation alternate-adsorbing process）混合作用（混合作用（Mixing process）人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类活动在地下水化学成分形成中的作用7.3 地下水化学成分的形成作用地下水化学成分的形成作用 影响溶滤作用强度的因素影响溶滤作用强度的因素岩土岩土l化学组分化学组分（如石灰岩（如石灰岩HCO3-Ca水、花岗岩水、花岗岩HCO3-Na水水)；l组组成成岩岩土土的的矿矿物物盐盐类类的的溶溶解解度度，溶溶解解度度的的差差异
15、异导导致致易易溶溶先先进进入入水水中中，难溶的后进入水中。难溶的后进入水中。水水l水的溶解能力水的溶解能力（TDS，O2、CO2等）；等）；通通常常刚刚渗渗入入到到地地下下的的水水，矿矿化化度度很很低低， O2、CO2含含量量高高，随随着着地地下下水水的的运运移移，不不断断有有新新的的盐盐分分溶溶解解到到水水中中，TDS， O2、CO2，水水的的溶解能力下降，最终水的溶解能力溶解能力下降，最终水的溶解能力0，溶滤作用是否将会停止？溶滤作用是否将会停止？溶滤作用（溶滤作用（Dissolving process）定义：定义：在水与岩土相互作用下，岩土中一部分物质转入地下在水与岩土相互作用下，岩土中
16、一部分物质转入地下水中，这就是溶滤作用。水中，这就是溶滤作用。结果：结果：岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分，矿岩土失去一部分可溶物质，地下水获得新的成分，矿化度化度 。l地下水的流动性：地下水的流动性：地下水的径流和交替强度（地下水的径流和交替强度（Q与与V）水水流流停停滞滞或或流流动动缓缓慢慢的的地地下下水水，溶溶解解能能力力最最终终会会降降为为零零，溶滤作用停止溶滤作用停止。水水流流速速度度快快，交交替替（更更新新）迅迅速速，水水流流不不断断被被更更新新，CO2、O2不不断断被被补补充充，低低TDS水水不不断断更更新新溶溶解解能能力力已已降降低低的水，的水，溶滤作用将长期进行溶滤
17、作用将长期进行。思考思考 如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？该地区地下水中的水质？该地区地下水中的水质矿化度（矿化度（TDS）是高）是高？还还是低？水中以哪种阴、阳离子为主？是低？水中以哪种阴、阳离子为主？l长长期期、强强烈烈溶溶滤滤作作用用的的结结果果，地地下下水水以以低低矿矿化化度度的的难难溶溶离子为主，离子为主，HCO3Ca水水 或或 HCO3Ca Mg水；水；l这这是是由由溶溶滤滤作作用用的的阶阶段段性性决决定定，在在由由多多种
18、种盐盐类类组组成成的的岩岩石中：石中：开始开始：Cl盐最易溶于水中盐最易溶于水中 随水带走随水带走随后随后： SO42-盐类被溶入中盐类被溶入中 随水带走随水带走最后最后：岩土中只剩较难溶的碳酸盐类：岩土中只剩较难溶的碳酸盐类l因因此此，溶溶滤滤作作用用是是地地质质历历史史长长期期作作用用的的结结果果，须须从从地地质质历史发展的角度来理解；历史发展的角度来理解； 前期溶滤作用前期溶滤作用溶滤什么组分，水中获得相应组分；溶滤什么组分，水中获得相应组分； 后期溶滤作用后期溶滤作用长期强烈溶滤作用的结果，易溶解的长期强烈溶滤作用的结果，易溶解的组分被水带走，组分被水带走，最后是难溶成分的低矿化水最后
19、是难溶成分的低矿化水。浓缩作用浓缩作用（ Concentrating process ）定义：定义：地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相地下水在蒸发排泄条件下，水分不断失去，盐分相对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。对浓集，而引起的一系列地下水化学成分的变化过程。浓缩作用的产生条件浓缩作用的产生条件干旱或半干旱的干旱或半干旱的气候；气候；地势平坦；地势平坦；水位埋深水位埋深小；小；颗粒细小颗粒细小的松散岩土；的松散岩土；地下水流动系统的地下水流动系统的排泄处。排泄处。浓缩作用的结果浓缩作用的结果矿化度升高矿化度升高；形成以易溶离子为主的地下水形成以易溶离子为主的地下水（Cl
20、-Na+为主为主）；）；土壤盐渍化土壤盐渍化。地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水化学成分形成作用受区域自然地理与地质条件的影响，地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上）地下水的化学特征往往具有一定的分带性（空间上）丘陵丘陵倾斜平原区倾斜平原区低平原低平原颗粒粗颗粒粗水位埋深大水位埋深大溶滤作用溶滤作用水交替迅速水交替迅速矿化度低矿化度低HCO3Ca过渡区过渡区矿化度中矿化度中SO4MgCa 颗粒细颗粒细水位埋深小水位埋深小浓缩作用浓缩作用水流迟缓水流迟缓矿化度高矿化度高ClNa矿化度升高矿化度升高SO42-HCO3-Cl-脱碳酸作用（脱碳酸作用（Decarbur
21、ization process） 定义定义水水中中CO2的的溶溶解解度度受受环环境境温温度度和和压压力力控控制制， CO2的的溶溶解解度度随随温温度度升升高高或或压压力力降降低低而而减减小小，一一部部分分CO2便成为游离便成为游离CO2从水中逸出，这便是脱碳酸作用。从水中逸出，这便是脱碳酸作用。脱碳酸作用的结果脱碳酸作用的结果HCO3- 、 Ca2+ 、 Mg2+ ;矿化度矿化度pH泉口附近形成的泉口附近形成的钙华钙华就是脱碳酸作用的结果。就是脱碳酸作用的结果。脱硫酸作用（脱硫酸作用（De-vitrioling process）定义定义 在在还还原原环环境境中中，当当有有有有机机质质存存在在时
22、时，脱脱硫硫酸酸细细菌菌能能使使SO42-还原为还原为H2S ，这种作用称为脱硫酸作用。，这种作用称为脱硫酸作用。脱硫酸作用的结果脱硫酸作用的结果 SO42- HCO3-pH值值寻找油田的辅助标志。寻找油田的辅助标志。粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。粘土及粘土岩类最容易发生交替吸附作用。当含当含Ca2+为主的地下水进入主要吸附有为主的地下水进入主要吸附有Na+的岩土时，水中的岩土时，水中的的Ca2+便置换岩土中所吸附的一部分便置换岩土中所吸附的一部分Na+，使得地下水中，使得地下水中Ca2+减小而减小而Na+增多。增多。阳离子交替吸附作用阳离子交替吸附作用不同阳离子吸附于岩土表面的能力不
23、同。不同阳离子吸附于岩土表面的能力不同。H+Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+Na+定义：定义：岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一岩土颗粒表面带有负电荷，能够吸附阳离子，在一定条件下，颗粒吸附地下水中某些阳离子，而将原来吸附定条件下，颗粒吸附地下水中某些阳离子，而将原来吸附的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸的部分阳离子转为地下水中的组分，这便是阳离子交替吸附作用。附作用。定义：定义：成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与成分不同的两种水汇合在一起，形成化学成分与原来两者都不相同的地下水，这就是混合作用。原来两者都不相同的地下水，这就是混合作用。如地表水混入地下水
24、；深层地下水补给浅部含水层等。如地表水混入地下水；深层地下水补给浅部含水层等。混合作用的两种类型：混合作用的两种类型：发生化学反应：发生化学反应：如以如以SO42- 、 Na+为主的地下水与为主的地下水与HCO3- 、 Ca2+为主的水混合：为主的水混合： 不产生化学反应：不产生化学反应：如高矿化的氯化钠型海水混入低如高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中。矿化的重碳酸钙镁型地下水中。混合作用（混合作用（Mixing process）污染地下水：污染地下水：工业三废；工业三废；农业面源污染（化肥、农药）；农业面源污染（化肥、农药）；生活污水。生活污水。改变地下水的形成条件改变地下
25、水的形成条件过量开采地下水引起海水入侵；过量开采地下水引起海水入侵；干干旱旱半半干干旱旱地地区区不不合合理理的的地地表表水水灌灌溉溉（造造成成浅浅层层地下水位上升）引起的次生盐渍化；地下水位上升）引起的次生盐渍化；咸咸水水分分布布区区通通过过挖挖渠渠打打井井，降降低低地地下下水水位位，改改变变了了地地下下水水的的排排泄泄方方式式（由由蒸蒸发发排排泄泄变变为为径径流流排排泄泄），从而使地下水水质淡化。，从而使地下水水质淡化。人类活动在地下水化学成分形成中的作用人类活动在地下水化学成分形成中的作用7.4 地下水基本成因类型及其化学特征（自学）地下水基本成因类型及其化学特征（自学）7.5 地下水化学
26、成分的分析及其图示（自学）地下水化学成分的分析及其图示（自学）地下水化学分析内容地下水化学分析内容简分析简分析全分析全分析地下水化学分类地下水化学分类舒卡列夫分类舒卡列夫分类溶滤水溶滤水沉积水沉积水内生水内生水地下水化学分析内容地下水化学分析内容是水质评价基础是水质评价基础简分析简分析 目的是初步了解水质是否适于饮用；目的是初步了解水质是否适于饮用；分析项目少，精度低，简便快速，成本不高，技术要求容分析项目少，精度低，简便快速，成本不高，技术要求容易掌握；易掌握；分析项目分析项目物理性质物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等：温度、颜色、透明度、嗅味、味道等 ；定量分析指标：定量分析指标：
27、 HCO3- 、 SO42- 、 Cl- 、 Ca2+ 、 Mg2+、 K+Na+ 、总硬度、总硬度、pH值、矿化度；值、矿化度；有时含专项分析有时含专项分析： NO3- 、 NO2- 、 NH4+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、耗氧量等。、耗氧量等。地下水化学分析内容地下水化学分析内容 全分析全分析 目的是较全面了解地下水化学成分，检核简分析结果目的是较全面了解地下水化学成分，检核简分析结果 ；分析项目多，精度高；分析项目多，精度高；定量分析指标定量分析指标： HCO3- 、 SO42- 、 Cl- 、 CO32- 、 NO3- 、 NO2- 、 Ca2+ 、 Mg2+ 、K+、Na
28、+、 NH4+ 、 Fe2+ 、 Fe3+ 、H2S、 CO2 、pH值、耗氧量、总硬度值、耗氧量、总硬度 及及干涸残余干涸残余物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分物；某些微量元素、有毒组分；研究水的侵蚀性时需分析水的侵蚀性析水的侵蚀性CO2。地下水化学分析的结果，离子含量以地下水化学分析的结果，离子含量以mg/L与毫克当量与毫克当量/升升表示。表示。 将含量将含量大于大于25%毫克当量毫克当量的阴、阳离子（各的阴、阳离子（各7种）进行组合，种）进行组合，共分成共分成49型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号；型水，每型以一个阿拉伯数字作为代号；按矿化度又划分为四组：按矿化度又划分为四组： A组组（M1.5g/L） B组组（1.5M10g/L） C组组（10M40g/L）。）。按舒卡列夫分类：按舒卡列夫分类： B-46舒卡列夫分类舒卡列夫分类（P61），），揭示了矿化度从低到高的分布规律。揭示了矿化度从低到高的分布规律。地下水化学分类地下水化学分类舒卡列夫分类舒卡列夫分类
